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Microelectromechanical Systems from Nanocrystalline Diamond

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I diamanti sono i migliori amici della microelettronica

I diamanti non devono essere grandi per essere preziosi, almeno così la pensano gli scienziati. Il diamante nanocristallino, superiore al silicone nell’uso nei sistemi microelettromeccanici (MEMS), è stato sfruttato in nuovi dispositivi MEMS, attirando così enormi investimenti a livello industriale.

Tecnologie industriali

La resistenza del diamante alle deformazioni elastiche (reversibili) sotto carico (elevato modulo di Young) rende possibili risonatori ad altissima frequenza con fattori di elevata qualità. È inoltre conveniente il fatto che il diamante nanocristallino sia anche compatibile con la tecnologia dei semiconduttori a ossido di metallo complementare al silicone, un vantaggio importante rispetto a molti altri materiali MEMS. Gli scienziati hanno lanciato il progetto DIAMENS (“Microelectromechanical systems from nanocrystalline diamond”), finanziato dall’UE, principalmente per ottimizzare la crescita e la planarizzazione dei diamanti nanocristallini. La possibilità di produrre diamanti nanocristallini lisci e continui che coprano ampie aree e mostrino proprietà del diamante standard può ridurre in modo significativo il prezzo delle applicazioni attuali che fanno affidamento proprio su i diamanti standard. Potrebbe inoltre aprire la porta a nuove applicazioni al di fuori del campo MEMS, come i rivestimenti tribologici. La nucleazione e la deposizione di vapore chimico ottimizzate a temperature relativamente basse (400 °C) hanno portato a pellicole uniformi di diamanti nanocristallini con uno spessore di 30 nm. La planarizzazione a una ruvidità estremamente bassa grazie alla levigazione chimico-meccanica ha dato vita a una pubblicazione di alto profilo. L’integrazione del nitruro di alluminio, una ceramica ampiamente utilizzata nella microelettronica, è stata ottenuta in due diversi modi. Il primo metodo più tradizionale con la crescita del nitruro di alluminio sulla superficie levigata del diamante nanocristallino ha portato a dispositivi d’onda acustici di superficie (spesso utilizzati come filtri ad alta frequenza o oscillatori) funzionanti a frequenze in eccesso di 15 GHz. In quanto sensori di pressione ad elevata precisione in grado di resistere ad ambienti ostili, la loro presentazione ha stimolato gli investimenti di un’azienda di telecomunicazioni molto importante. Questo approccio ha dato vita a tre ulteriori pubblicazioni. Il secondo metodo era costituito dalla manipolazione delle differenze di tensione tra la superficie dei semi del diamante nano cristallino e la soluzione di deposizione totale (potenziale zeta). La rimozione della fase di planarizzazione riduce considerevolmente i costi. Questo approccio ha portato alla dimostrazione dei MEMS ad alta frequenza. Il lavoro sul nitruro di alluminio e sui diamanti nano cristallini ha dato vita in totale a sei pubblicazioni. Il drogaggio o l’aggiunta di impurità come il boro può trasformare il diamante nano cristallino da uno dei migliori isolanti elettrici a un superconduttore. Le ricerche su questo fenomeno nei MEMS hanno portato alla dimostrazione di un nano risonatore superconduttore e hanno dato vita a un’ulteriore pubblicazione. DIAMENS ha dimostrato appieno l’utilità dei diamanti nanometrici nei dispositivi elettronici, aprendo la strada a importanti riduzioni dei costi in numerosi campi. Come dimostrato dai grandi investimenti industriali in continuo sviluppo, i risultati avranno un importante impatto socioeconomico.

Parole chiave

Diamante nanocristallino, sistemi microelettromeccanici, MEMS, planarizzazione, superconduttore

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